Erők (rug., grav., súly, súrl., közegell., centripet.,), forgatónyomaték, egyensúly Rugalmas erő: A rugalmas test (pl. rugó) megnyúlása egyenesen arányos a rugalmas erő nagyságával. Ezért lehet a rugót erőmérőnek használni. (rugós erőmérő) Példák rugalmas erőre: rugós óra, rugó a kerekek felett, íj, flippergolyó kilövő, lengéscsillapító rugó, trambulin, ugráló gumiasztal,... Rugalmas erőtörvény: F = - D Δl (F a rugalmas erő, Δl a rugó megnyúlása, D a rugóra jellemző állandó: rugóállandó, mértékegysége N/m ) Azért van a képletben mínusz, mert a megnyúlás ellentétes irányú a rugó erejével. Annak a rugónak nagyobb a rugóállandója, amelyik erősebb, vagyis ugyanakkora erőhatásra kisebb a megnyúlása.
Gravitációs erő A Föld által a Föld felszínéhez közeli tárgyra ható gravitációs erő: F g = m g, ahol m a tárgy tömege, g a gravitációs gyorsulás értéke a Föld felszínén: átlagosan 9,81 m/s 2 A g értéke és így a Föld felszínén levő tárgyra ható gravitációs erő függ a tárgy és a Föld középpontja közti távolságtól vagyis kis mértékben különbözik az Egyenlítőnél és a sarkoknál, és függ a talajtól mért távolságtól. Kerekítve 10 m/s 2 A g értéke más égitesteken más. Pl. a Holdon a Földi értéknek kb. 1/6-a.
Súlyerő Egy test, tárgy súlya az alátámasztást nyomó, vagy felfüggesztést húzó erő. (A test súlya nem a testre ható erő, hanem az alátámasztásra, vagy felfüggesztésre hat.) Ha a test lefelé gyorsul, akkor súlya kisebb, ha felfelé gyorsul, akkor nagyobb. (pl. liftben levő ember, zuhanó repülő) Szabadon eső tárgy súlya nulla, súlytalan állapotban van. (Ha pl. egy alátámasztással együtt esik, nem nyomja azt.) Nyugalomban levő test súlya egyenlő nagyságú a testre ható gravitációs erő nagyságával: m g (A képen a gravitációs erő piros, a test súlya zöld, a testet tartó erő kék.)
Súrlódási erő Csúszási súrlódási erő A mozgó test, tárgy és a vele érintkező felület között a mozgással ellentétes irányú fékező erő lép fel: csúszási súrlódási erő. Ennek oka: a két felület érdes felületén levő kiemelkedések és mélyedések egymásba akadnak. A csúszási súrlódási erő nagysága egyenesen arányos a két felületet összenyomó erővel. (Vízszintes talajon vízszintesen mozgó tárgynál ez egyenlő a test súlyával.) Vízszintes talajon egyenletesen mozgó testnél a húzóerő egyenlő a csúszási súrlódási erővel (a testre ható eredő erő = 0) A súrlódási erő és a nyomóerő aránya a felületre jellemző adat: csúszási súrlódási együttható. Jele: µ (mű, görög betű)
Példák a csúszási súrlódás csökkentésére: Zsírozás, olajozás (pl. autó motorolaj), csiszolás, jégpálya tisztítása (rolbázás), síléc vaxolás Példák a csúszási súrlódás növelésére: Téli gumi, hólánc, utak homokkal szórása Tapadási súrlódás Ha egy nyugalomban levő testet elmozdítani szeretnénk, a test és a vele érintkező felület között fellép a tapadási súrlódási erő. A tapadási súrlódási erő akkora, amekkora a húzóerő, csak ellentétes irányú, így a két erő eredője 0, ezért a test nem mozdul. A tapadási súrlódási erő maximuma az az érték, amikor sikerül elmozdítani a testet. A maximális tapadási súrlódási erő és a nyomóerő hányadosa a tapadási súrlódási együttható: µ 0
A tapadási súrlódási erő maximuma is egyenesen arányos a felületeket összenyomó erővel. F tmax =µ 0 F nyomó Ugyanolyan felületek között a tapadási súrlódási erő maximuma nagyobb, mint a csúszási (nehezebb valamit megmozdítani, mint csúsztatni, ha már elindult). Pl. emiatt kisebb az autó fékútja, nagyobb erő fékezi, ha a kerék forog (tapad), mintha blokkolva csúszik. 0 < µ < µ 0 Példák tapadási súrlódásra: Lépés, bútor elmozdítása, dugó az üvegben, ugrásnál elrugaszkodás, kézifék, szövetszálak az összesodrás után tapadnak, nem szakad szét Gördülési súrlódás Ha mozgó tárgy esetén a felületek közé kereket tesznek, a súrlódás sokkal kisebb lesz. A gördülési súrlódási együttható sokkal kisebb, mint a csúszási.
Közegellenállási erő Folyadék vagy légnemű anyagban (közegben) levő tárgy mozgását a közeg részecskéi akadályozzák. Ez az akadályozó erő a közegellenállási erő. (levegő esetén légellenállási erő) A közegellenállás egyenesen arányos - a közeg sűrűségével ( ), - a mozgó tárgy mozgásirányra merőleges felületének nagyságával (A), - a mozgó tárgy sebességének négyzetével (v 2 ). - A közegellenállási erő függ a mozgó tárgy alakjától. Erre jellemző szám a tárgy közegellenállási tényezője. Jele: c 1 A közegellenállási erő: Különböző alakú tárgyak c1 értéke:
Példák a közegellenállás csökkentésére: Úszóruha, áramvonalas alakú autó, vonat, hajó, repülő Példák a közegellenállás növelésére: Repülőgép-anyahajóra leszálló repülő vagy földre leszálló űrhajós kabin fékezése ejtőernyővel. Vitorlás hajókon nagyobb és több vitorlavászon kifeszítése. Példák, amikor a súrlódás vagy a közegellenállás előnyös: Télen utak, járdák érdesítése homokkal, fékek, sodrott fonál vagy kötél, vitorlás, ejtőernyős, dugó az üvegben Példák, amikor a súrlódás vagy a közegellenállás hátrányos: motorban a dugattyú súrlódása a hengerfallal (motorolaj csökkenti), járművekkel szembeni légellenállás, úszás, evezés, hajózás
Centripetális erő Ahhoz, hogy egy test, tárgy körpályán mozogjon olyan erőnek kell rá hatnia, amelyik a kör középpontjába mutat. Ez az erő a körmozgás centripetális gyorsulásával egyenesen arányos. Ez az erő: centripetális erő jele: Fcp Newton II. törvénye értelmében: (v a körpályán mozgó tárgy sebessége, r a kör sugara) Ha egy bolygó körül kering egy műhold vagy űrhajó vagy hold, akkor a körpályához szükséges centripetális erőt a gravitációs erő biztosítja. Ez a bolygó felszínén, vagy a felszínéhez közel: F g = m g (g a bolygón a gravitációs gyorsulás, a Földön 9,81 m/s 2, kerekítve 10 m/s 2 ) Tehát ez esetben: F g = F cp és g = a cp (Más bolygókon más a gravitációs gyorsulás, a gravitációs erő, és így a bolygó körül körpályán mozgó műhold sebessége is más.)
Forgatónyomaték, egyensúlyi állapotok Az erőnek forgató hatása van. Nagyobb a forgatóhatás, ha nagyobb az erő, vagy nagyobb az erő és a forgástengely közti távolság. A forgató hatás mértéke: forgatónyomaték, jele: M Az erő és a forgástengely távolsága: erőkar, jele: k forgatónyomaték = erő erőkar M = F k A forgatónyomaték mértékegysége: Nm (newton-méter) Nagyobb erőkarral nagyobb forgató hatás, forgatónyomaték fejthető ki. Ezt használják fel arra, hogy nagy forgatóhatást fejtsenek ki kis erővel. Példák: csavarkulcs, olló, csípőfogó, talicska, emelő,... Egyensúly feltételei: Egy kiterjedt (nem pontszerű) tárgy egyensúlyának 2 feltétele: 1. - A testre, tárgyra ható forgatónyomatékok kiegyenlítik egymást (előjeles összegük 0), vagyis az egyik irányba forgató forgatónyomatékok összege egyenlő a másik irányba forgató forgatónyomatékok összegével.
2. - A testre, tárgyra ható erők kiegyenlítik egymást (előjeles összegük 0). Párhuzamos hatásvonalú erők esetén az egyik irányba ható erők összege egyenlő a másik irányba ható erők összegével. Például: Mérleg vagy hinta Ha mindkét oldalán 1 súly van, akkor M 1 =M 2, F 1 k 1 =F 2 k 2 Ha több súly van 1 oldalon, akkor az azonos irányba forgató forgatónyomatékokat össze kell adni. Példák a forgatónyomaték és az erőkar növelésének felhasználására: csavarkulcs, fogaskerék, daru, emelő, olló, mérleg, emelőcsiga, hengeres kút (lásd ábra), csípőfogó, talicska,...
Tömegközéppont, súlypont A testnek, tárgynak az a tömegközéppontja, súlypontja, ahol felfüggesztve vagy alátámasztva a test, tárgy egyensúlyban marad (nem fordul el). Egyensúlyi helyzetek A testek, tárgyak mozgásuk, forgások során olyan helyzet elérésére törekszenek, ahol a súlypontjuk alacsonyabbra kerül. Ennek oka, hogy a test, tárgy minden pontjára hat a gravitációs erő, ami a Föld középpontja felé mutat. Pl. hegyről leguruló labda, tojás eldőlése az oldalára, eldőlő oszlop Biztos (stabil) egyensúlyi helyzet: A testet, tárgyat kimozdítva egyensúlyi helyzetéből a súlypontja magasabban lesz, ezért törekszik visszatérni az egyensúlyi helyzetbe. Pl. labda gödörben, felakasztott láda, rugó,... Bizonytalan (labilis) egyensúlyi helyzet: A testet, tárgyat kimozdítva egyensúlyi helyzetéből a súlypontja alacsonyabban lesz, ezért nem törekszik visszatérni az egyensúlyi helyzetbe. Pl. labda domb tetején, alul alátámasztott láda,...
Közömbös egyensúlyi helyzet: A testet, tárgyat kimozdítva egyensúlyi helyzetéből a súlypontjának magassága nem változik. Alátámasztás: Egy test, tárgy akkor marad álló helyzetben, ha a súlypontja az alátámasztási felülete felett van. Ha a súlypontja kívül esik az alátámasztáson, akkor a tárgy felbillen.